WCDMA數(shù)字移動通信系統(tǒng)及其與CDMA2000的比較

2019-11-03 09:50:17

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WCDMA數(shù)字移動通信系統(tǒng)及其與CDMA2000的比較（郭經(jīng)紅）［摘要］本文主要對WCDMA數(shù)字移動通信系統(tǒng)物理層及其特點作了詳細的描述，并與CDMA2000系統(tǒng)作了比較。 [關(guān)鍵詞]CDMA系統(tǒng)；WCDMA；CDMA20001引言移動通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展。第一代采用頻分多址（FDWA）模擬調(diào)制方式，這種系統(tǒng)的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。第二代蜂窩系統(tǒng)采用時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）的數(shù)字調(diào)制方式，提高了系統(tǒng)容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大為改善。TDMA方式的主要缺點是：（1）系統(tǒng)容量仍不理想；（2）和FDMA方式一樣，TDMA方式的越區(qū)切換性能仍不完善。為了克服FDMA和TDMA兩種多址方式的缺點，北美推出了IS－95／CDMA數(shù)字移動通信系統(tǒng)，IS－95／CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強、通信質(zhì)量好、軟容量等特點顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ⒓丛谌澜绶秶鷥?nèi)掀起一股研究CDMA技術(shù)的熱潮。隨著社會進步及用戶數(shù)量的急劇增長，頻率資源日益緊張，要求第三代移動通信系統(tǒng)IMT－2000能提供更大的系統(tǒng)容量，更高的通信質(zhì)量，并能提供2Mbit／S數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以滿足人們對多媒體通信的要求并適應(yīng)通信個人化的發(fā)展方向。第三代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的兩大主要候選方案是北美的CDMA200系統(tǒng)和歐洲的WCDMA系統(tǒng)，都是建立在CDMA技術(shù)基礎(chǔ)上，CDMA已被廣泛接收為第三代移動通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。第三代移動通信區(qū)別于現(xiàn)有的第一代和第二代移動通信系統(tǒng)，其主要特點概括為：（1）全球普及和全球無縫漫游的系統(tǒng)。第二代移動通信系統(tǒng)一般為區(qū)域或國家標準，而第三代移動通信系統(tǒng)將是一個在全球范圍內(nèi)覆蓋和使用的系統(tǒng)。它將使用共同的頻段，全球統(tǒng)一標準。（2）具有支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持Internet業(yè)務(wù)。現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，隨著發(fā)展一般也僅能提供100-200kbit／S的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GSM演進到最高階段的速率能力為384kbit/s。而第三代移動通信的業(yè)務(wù)能力將比第二代有明顯的改進。它應(yīng)能支持從話音分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要，提供帶寬。ITU規(guī)定的第三代移動通信無線傳輸技術(shù)的最低要求中，必須滿足在以下三個環(huán)境的三種要求。即： ·快速移動環(huán)境，最高速率達144kbit/s ·室內(nèi)環(huán)境，最高速率達2Mbit/S 室外到室內(nèi)或步行環(huán)境，最高速率達384kbit/s （3）便于過渡、演進。由于第三代移動通信引入時，第二代網(wǎng)絡(luò)已具有相當規(guī)模，所以第三代的網(wǎng)絡(luò)一定要能在第二代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐漸靈活演進而成，并應(yīng)與固定網(wǎng)兼容。（4）高頻譜效率、高服務(wù)質(zhì)量、低成本、高保密性。目前IMT－2000無線傳輸技術(shù)（RTT）提案有16個之多，其中地面系統(tǒng)RTY提案有10個，移動衛(wèi)星系統(tǒng)的RTT提案有6個。從市場基礎(chǔ)及總體系統(tǒng)特征看，地面系統(tǒng)以歐洲UTRA（WCDMA／TD－CDM）及美國CDMA2000這兩個提案最具競爭力，我國的RTT提案是TD－SCDMA。根據(jù)ITU的時間表，1999年底前將完成IMT－2000無線技術(shù)規(guī)范。2 WCDMA的主要特點信息社會的到來對通信手段提出了越來越高的要求，WCDMA是應(yīng)運而生的全新第三代移動通信系統(tǒng)方案，與前兩代系統(tǒng)相比有較多的優(yōu)點，主要概括為以下幾方面：（1）比第二代移動通信系統(tǒng)有更好的性能。包括更大的系統(tǒng)容量和更大的覆蓋區(qū)域，且可以從第二代系統(tǒng)逐步演進。 WCDMA由于自身的帶寬較寬，因而由多徑效應(yīng)引起的信號衰落較小，上下行鏈路發(fā)射時分復(fù)用導(dǎo)頻信號，從而實現(xiàn)相平解調(diào)，能大幅度提高鏈路客量。WCDMA中采用快速功率控制技術(shù)，使發(fā)射機的發(fā)射功率總是處于最小的水平，從而減少了多址干擾。另外，在下行鏈路發(fā)送用戶專用導(dǎo)頻信號而不是公共導(dǎo)頻信號，能使下行鏈路使用自適應(yīng)天線成為可能，從而減少小區(qū)的多用戶干擾，這些技術(shù)都提高了系統(tǒng)容量，對一般話音服務(wù)，系統(tǒng)容量至少提高兩倍。（2）提供更加靈活的服務(wù)。包括：支持更寬范圍的服務(wù)，最高可支持2Mbit/s的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；支持一條連線上傳輸多條并行業(yè)務(wù)；支持高速率的分組接入。 WCDMA最重要的一個特點是功率對用戶來說是共享資源。在下行鏈路上，基站中碼分復(fù)用的用戶分享總的功率，上行鏈路中，基站有一個最大干擾容限，這個功率在小區(qū)中產(chǎn)生干擾的移動臺之間分配。共享功率使WCDMA能靈活地處理具有不同速率的業(yè)務(wù)。當數(shù)據(jù)速率變化時，無須對碼字、時隙等重新分配，也即無須重新分配物理信道，只要調(diào)整功率分配即可保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量不受影響。WCDMA中使用正交變擴頻增益擴頻碼（OVSF），這種碼字保證了下行鏈路不同用戶信道或同一用戶不同業(yè)務(wù)信道的正交性，對于不同的數(shù)據(jù)速率，這種正交性仍然存在。這一措施也保證了WCDMA適應(yīng)多種業(yè)務(wù)的要求。 WCDMA方案中采用了對不同QOS要求的業(yè)務(wù)進行不同的信道編碼的策略。標準業(yè)務(wù)僅采用卷積編碼，高質(zhì)量業(yè)務(wù)在卷積編碼的基礎(chǔ)上增加RS編碼或采用Turbo Code的編碼方法，而對特定業(yè)務(wù)則在第一層不采用糾錯編碼而完全由高層來采取差錯控制，這樣處理的結(jié)果使得各種業(yè)務(wù)變化為同一種數(shù)據(jù)。此外，WCDMA中電路和分組交換業(yè)務(wù)能以創(chuàng)新方式在同一信道組合，使一個終端能處理多項業(yè)務(wù)。帶寬不同的電路和分組交換業(yè)務(wù)可自由組合，同時向同一個用戶投送。（3）采用更加靈活的系統(tǒng)操作。包括：支持基站間的異步操作；支持自適應(yīng)天線陣技術(shù)與多用戶檢測的技術(shù)；支持非平衡頻帶下采用時分雙工的模式，采用單信元頻率復(fù)用等。3 WCDMA的物理層技術(shù)標準 WCDMA方案包括FDD與TDD兩種工作方式。前者工作在覆蓋面積較大的范圍內(nèi)，提供中、低速業(yè)務(wù)；后者主要側(cè)重在業(yè)務(wù)繁重的小范圍內(nèi)，提供高至2Mbps的業(yè)務(wù)。下面僅就FDD方式進行討論。3.1基本參數(shù) ·WCDMA工作頻段：926－1980MHz頻段分配給FDD上行鏈路使用；2110－2170MHz頻段分配給FDD下行鏈路使用；1900－1920MHz頻段由于在高頻段沒有相應(yīng)的鏡像頻段，被分配給TDD雙工方式使用。 ·基本標稱帶寬5MHz，但其實際值可以以200kHz為步長，根據(jù)需要在4.4－5.2MHz之間調(diào)整。基本帶寬可以擴展至10／20MHz。 ·基本擴頻碼速率4.096Mcps，它也可以擴展到8.192／16.384MHz。 ·幀長10ms，每幀包含16個時隙，每時隙O.625ms，代表一個功控周期。3.2信道結(jié)構(gòu) WCDMA信道可分為專用信道和公共信道兩大類。專用信道包括：業(yè)務(wù)信道、獨立專用控制信道、伴隨專用控制信道。公共信道包括：廣播控制信道、前向接入信道、尋呼信道、隨機接入信道。這些信道通過不同的方式映射到相應(yīng)的物理信道。下面我們分別對上下行鏈路進行介紹。（1）上行鏈路上行鏈路專用物理信道分為：專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDCH）和專用物理控制信道（DPCCH）。公用物理信道為物理隨機接入信道（PRACH）。 ·專用物理信道：上行鏈路專用物理數(shù)據(jù)信道用來承載第二層和更高層的專用數(shù)據(jù)。專用物理控制信道用來承載第一層產(chǎn)生的控制信息，包括：用于信道估計的導(dǎo)頻信號（Pilot）；功率控制信號（TPC）以及傳送格式指示比特（TFI）。每偵10ms，分成16個時隙。72個連續(xù)的幀組成一個超幀，時長720ms。每時隙比特數(shù)為：10*2k，其中k＝0，……，6，相應(yīng)的為SF＝256／2k。即為256－4。DPCCH與DPDCH是并行發(fā)送的。 ·公共物理信道：上行鏈路公共物理信道只有一種：物理隨機接入信道（PRACH）。移動臺僅在相對于所在小區(qū)廣播控制信道幀邊界的一系列給定時間偏置處發(fā)起接入嘗試。這樣的時間偏置稱為接入時隙。每個接入時隙都會與別的接入時隙之間有1.25ms的時間間隔，以防止接人嘗試的相互碰撞。本小區(qū)中哪些接入時隙可用的消息在廣播控制信道中發(fā)布。接入突發(fā)由長度為1ms的前導(dǎo)部分和長度為10ms的消息部分組成。兩部分之間為0.25ms的空閑時隙。其中前導(dǎo)部分是由16個復(fù)數(shù)符號A或一A（A＝1＋j，這里j是虛部的標記）組成特征序列，共有16個不同的這樣的序列。在一個小區(qū)中，哪些特征序列可以使用的消息通過基站下行信道予以廣播。消息部分由數(shù)據(jù)部分（對應(yīng)于DPDCH）和第～層控制信息部分（對應(yīng)于DPCCH）組成，這兩部分是通過兩條物理信道并行發(fā)送的。控制信息部分時隙由TPC，TFI和Pilot組成。數(shù)據(jù)部分時隙由16比特的移動合識別碼，3比特的所要求服務(wù)類型指示碼，可選的用戶短信息包，8比特的循環(huán)冗余比特組成。（2）下行鏈路下行鏈路物理信道由專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDH）和專用物理控制信道（DPCCH），基本公共控制物理信道（Primary CCPCH）和輔助公共控制物理信道（Secondary CCPCH）組成。專用物理信道的功能與上行鏈路相同。基本公共物理控制信道用來承載廣播控制信道（BCCH），輔助公共控制物理信道用來承載前向接入信道（FRACH），尋呼信道（PCH）和同步信道（SCH）。 ·專用物理數(shù)據(jù)信道：下行鏈路專用物理信道是DPCCH和DPDH的時分復(fù)用。第二層及高層的數(shù)據(jù)與第一層的控制信息（TPC，TFI，Pilot）通過時分復(fù)用復(fù)用到同一條信道上。同樣，下行鏈路DPCH一幀也是由16個0.625ms的時隙組成的，幀長為10ms。72個連續(xù)的幀組成一個超幀。當總的比特率大于一條物理信道所能承載的最大碼速率時，可采用多碼傳輸?shù)姆椒ǎ丛谙滦墟溌钒l(fā)送多個并行的相同的物理信道。此時，第一層控制信息只需要在第一條物理信道發(fā)送，其它物理信道在相應(yīng)的時間段中不發(fā)送任何信息。多碼傳輸?shù)牧硪环N方法是每個發(fā)送的物理信道的擴額增益不同。因此，此時每條物理信道都需要發(fā)送第一層的控制信息。基本公共控制物理信道：Primary CCPCH承載BCCH，它的碼速是固定的，為32kbps。其幀結(jié)構(gòu)與下行鏈路DPCH的差別是它不包含TPC和TFI，只包含Pilot和DATA。每時隙有8比特的Pilot和12比特的DATA。 ·輔助公共控制物理信道：Secondary CCPCH承載FACH和PCH，F(xiàn)ACH和PCH分別映射到不同的s 珊訕葉CCPCHo Secondary CCPCH碼速是恒定的。但這里的恒定，只是對一條Secondary CCPCH而言。對不同的輔助公共控制物理信道，它的碼速是可以不同的，以適應(yīng)不同的FACH和PCH容量。 Secondary CCpeH和Primary CCPCH的主要區(qū)別是前者的碼速對不同信道是不同的，雖然在同一信道中是恒定的，后者碼速對每個小區(qū)都是相同的；并且前者是在有數(shù)據(jù)時才發(fā)送，且可能只在某個方向發(fā)送，前者是在整個小區(qū)連續(xù)發(fā)射的。同步信道由兩個子信道組成；基本同步信道和輔助同步信道。可見，上下行鏈路有很大不同，下行鏈路專用數(shù)據(jù)信道和專用控制信道是時分復(fù)用的，而上行鏈路專用數(shù)據(jù)信道和專用控制信道是并行發(fā)送的。4 WCDMA和CDMA2000的比較4.1無線傳輸技術(shù)的主要差別對比兩套方案在無線傳輸技術(shù)上有較大差別。4.2兩種方案各自的演進策略兩套方案各有利弊，從技術(shù)角度看，WCDMA方案采取了許多新技術(shù)，如時分復(fù)用的導(dǎo)頻碼的使用，能實現(xiàn)相干解調(diào)，從而提高鏈路容量，且滿足了使用自適應(yīng)天線的要求；基站間異步方式擺脫了對GPS的依賴等等，但CDMA2000是建立在IS-95空中接口的基礎(chǔ)上的，最大限度地利用了成熟的技術(shù)，相對來說技術(shù)復(fù)雜程度低、風(fēng)險小，系統(tǒng)演進升級的成本較小。

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